废弃塑料粉末(WPP)部分替代天然细骨料的混凝土试验与数值模拟研究

《Results in Engineering》：Experimental and numerical results of concrete prepared with waste plastic powder as fine aggregate

　　

废弃塑料粉末（WPP）被用作混凝土中天然细骨料的部分替代材料。增加WPP掺量会逐步降低混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度。研究人员通过ABAQUS数值敏感性分析标定了混凝土损伤塑性（CDP）模型参数和网格尺寸。标定后的模型在选用10 mm网格时，峰值应力误差为0.82%。10%的WPP替代水平被确定为在强度与塑料废弃物利用之间取得平衡的最佳水平。

随着基础设施建设的快速发展，混凝土生产对天然河砂的需求不断增长。过度且缺乏监管的河砂开采导致自然资源枯竭，并破坏河流生态系统。与此同时，全球塑料废弃物污染危机日益严峻，大量合成塑料被废弃后数百年难以降解。本研究旨在利用消费后废弃塑料制成的细粉（WPP）部分替代天然河砂，以同时缓解河砂过度开采和塑料废弃物污染两大环境问题。此外，实验室物理测试通常只能获得峰值荷载数据，难以准确反映混凝土屈服后的连续非线性损伤与位移演化，因此有必要建立能够再现实验抗压响应的数值框架，为后续分析提供一致基础。

研究人员制备了五种混凝土配合比，以质量替代方式将WPP按0%、10%、20%、30%、40%替代天然砂，并保持水灰比0.45不变。通过坍落度试验、抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验及破坏表面观察，系统评估了WPP对混凝土新拌性能和力学性能的影响；同时基于ABAQUS平台建立了混凝土损伤塑性（CDP）有限元模型，对实验抗压响应进行数值标定与再现。主要结论为：WPP掺入降低了新拌混凝土坍落度；所有龄期下抗压和劈裂抗拉强度均随WPP掺量增加而降低，但随养护龄期增长而提高；10% WPP替代的强度损失最小。通过标定CDP参数和网格尺寸，数值模型峰值应力与实验值的误差控制在0.40%~0.85%，其中10 mm网格时误差为0.82%，表明标定后的模型能够较好地再现实验强度响应。

在关键技术方法方面，WPP取自市场收集的消费后塑料容器废弃物，经清洗、太阳下干燥约2~3小时和机械研磨制成。胶凝材料采用符合BDS EN 197-1（CEM II/B-M）的波特兰复合水泥，细骨料为当地河砂，粗骨料为最大公称粒径20 mm的碎石。每种配合比每个龄期制备3个直径100 mm、高200 mm的圆柱体试件，共90个试件，分别进行抗压和劈裂抗拉强度测试。数值建模中，采用Modified Kent and Park模型和Cornelissen指数软化模型分别推导压缩与拉伸本构关系，在ABAQUS/Standard中建立三维CDP模型；通过敏感性分析逐步标定膨胀角、粘度参数和网格尺寸，最终确定膨胀角40°、粘度参数0.001、全局网格尺寸10 mm。

研究结果按论文主体部分的小标题分述如下：

4.1 新拌混凝土和易性：坍落度试验显示，随WPP掺量增加，坍落度从0%组的5.1英寸降至40%组的4.5英寸，总降幅为11.8%。在恒定水灰比0.45且不添加额外水分或化学外加剂的条件下，WPP的掺入降低了新拌混凝土的工作性。

4.2 抗压强度评估：7、14、28天抗压强度均随WPP替代水平增加而持续降低。28天时，0%组平均抗压强度为26.90 MPa，10%、20%、30%、40% WPP组分别为23.51、21.50、20.55、19.67 MPa。采用Modified Kent and Park模型构建的28天分析应力-应变曲线表明，WPP掺量越高，峰值应力越低，上升段刚度下降，峰后软化段更明显。

4.3 抗拉强度评估：劈裂抗拉强度随龄期增加而提高，但同一龄期下随WPP掺量增加而降低。28天时，0%组为3.12 MPa，10%~40% WPP组分别降至2.92、2.68、2.65、2.47 MPa。Cornelissen模型生成的分析拉伸软化曲线显示，随WPP掺量增加，拉伸峰值应力及其后承载力均降低。

4.4 CDP参数标定与选择：以28天实验抗压强度和参考峰值应变0.002为基准，通过逐步改变膨胀角、粘度参数和网格尺寸进行敏感性分析。在测试范围内，膨胀角40°时峰值应力误差最低（6.40%），粘度参数0.001时误差最低（1.44%），10 mm网格时误差最低（0.82%）。最终选定膨胀角40°、粘度0.001、10 mm网格作为最终数值模型配置。

4.5 试件破坏表面定性观察：0% WPP控制组破坏面在暴露集料周围具有相对均匀的胶凝材料；随WPP含量增加，破坏面视觉上更不规则，出现更多不同颜色的颗粒，基体区域呈不连续状，尤其以30%和40% WPP组最为明显。该观察仅为宏观定性描述，不能作为孔隙率增加或界面脱粘的直接证据。

4.6 数值模拟结果与参数分析：有限元模拟显示，随WPP替代率从0%增至40%，最大von Mises应力从3.13×10¹ MPa降至2.34×10¹ MPa；压缩损伤指数（DAMAGEC）在各模型中均为0.50，表明核心压碎机制和中高剪切带形成相对稳定；拉伸损伤（DAMAGET）沿试件外缘扩展更明显。力-位移曲线表明最大承载力从0%组的216.14 kN逐渐降至40%组的158.77 kN，峰值后各曲线均呈逐渐软化特征，反映了混凝土非线性损伤和峰后变形行为。

4.7 数值模型标定与定量评估：将标定后的有限元结果与实验抗压强度对比，0%~40% WPP替代率下数值峰值应力分别为26.67、23.35、21.39、20.46、19.59 MPa，对应实验值为26.90、23.51、21.50、20.55、19.67 MPa，峰值应力误差分别为0.85%、0.67%、0.51%、0.43%、0.40%。数值峰值应变在0.00175~0.00182之间，与模型基准值0.002存在差异，可能归因于试验机柔度、加载系统变形和试件-压板相互作用等实验效应。

讨论部分指出，标定后的CDP模型能以极低的峰值应力误差再现实验强度响应，并准确反映随WPP掺量增加强度下降的趋势。然而，由于实验抗压强度数据同时被用于建立本构关系和标定模型参数，该数值一致性属于对标定响应的再现，而非独立预测性验证。未来应使用独立的实验数据集评估模型的预测能力。研究局限性包括未进行直接微观表征、颗粒密度和吸水率测试、耐久性测试，以及未获取独立的应力-应变曲线和独立验证数据集。

研究结论可翻译如下：本研究考察了以废弃塑料粉末（WPP）部分替代天然细骨料的混凝土的新拌性能、力学性能、破坏表面定性观察及标定后的数值抗压响应。所有配合比均采用0.45水灰比，WPP替代水平为0%、10%、20%、30%和40%。坍落度随WPP掺入而降低；所有混合料的抗压强度和劈裂抗拉强度均随WPP替代增加而下降，但随养护龄期增长而上升。28天时，10%~40% WPP组的抗压强度相比0%组分别降低约12.6%、20.1%、23.6%和26.9%；劈裂抗拉强度分别降至2.92、2.68、2.65和2.47 MPa（0%组为3.12 MPa）。在所有WPP混合料中，10% WPP混合料显示出最高的力学强度保持率。基于CDP的ABAQUS模型经标定（膨胀角40°、粘度参数0.001、10 mm网格）后，数值峰值应力与实验值的误差为0.40%~0.85%。该数值一致性属于对实测响应的标定再现，而非独立验证。研究表明，在满足预期用途的工作性和力学强度要求下，WPP可作为天然细骨料的部分替代物；10% WPP的适用性需结合强度等级、耐久性要求、服役环境和设计规范综合确定。